Forskare har visat ett nytt gränssnitt mellan ljus och materia, att förverkliga den lättaste möjliga spegeln bildad av ett monolager på 200 atomer. Kredit:Max Planck Institute of Quantum Optics
Fysiker vid Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) har konstruerat den lättaste optiska spegeln man kan tänka sig. Det nya metamaterialet är gjort av ett enda strukturerat lager som bara består av några hundra identiska atomer. Atomerna är arrangerade i den tvådimensionella uppsättningen av ett optiskt gitter bildat av interfererande laserstrålar. Forskningsresultaten är de första experimentella observationerna av sitt slag i ett helt nyligen framväxande nytt område av subvåglängds kvantoptik med ordnade atomer. Än så länge, spegeln är den enda i sitt slag. Resultaten publiceras idag i Natur .
Vanligtvis, speglar använder högpolerade metallytor eller specialbelagda optiska glas för att förbättra prestanda i mindre vikter. Men fysiker vid MPQ visade nu för allra första gången att till och med ett enda strukturerat lager med några hundra atomer redan kunde bilda en optisk spegel, vilket gör den till den lättaste man kan tänka sig. Den nya spegeln är bara flera tiotals nanometer tunn, som är tusen gånger tunnare än bredden på ett människohår. reflektionen, dock, är så stark att den till och med kan uppfattas med det rena mänskliga ögat.
Mekanismen bakom spegeln
Spegeln arbetar med identiska atomer arrangerade i en tvådimensionell grupp. De är ordnade i ett regelbundet mönster med ett avstånd som är lägre än atomens optiska övergångsvåglängd, både typiska och nödvändiga egenskaper hos metamaterial. Metamaterial är konstgjorda strukturer med mycket specifika egenskaper som sällan finns naturligt. De får sina egenskaper inte från materialen de är gjorda av utan från de specifika strukturer de är designade med. Egenskaperna – det regelbundna mönstret och subvåglängdsavståndet – och deras samspel är de två avgörande funktionerna bakom denna nya typ av optisk spegel. För det första, det regelbundna mönstret och subvåglängdsavståndet mellan atomer undertrycker båda en diffus spridning av ljus, bunta ihop reflektionen till en enriktad och stadig ljusstråle. Andra, på grund av det relativt nära och diskreta avståndet mellan atomerna, en inkommande foton kan studsa fram och tillbaka mellan atomerna mer än en gång innan den reflekteras. Båda effekterna, den undertryckta spridningen av ljus och studsningen av fotoner, leda till ett "förbättrat samarbetssvar på det yttre fältet, " vilket betyder i det här fallet:en mycket stark reflektion.
Jun Rui och David Wei, de två första författarna till tidningen, framför deras komplexa experimentella upplägg som i sitt hjärta som är osynligt för det mänskliga ögat har den lättaste möjliga spegeln - en spegel gjord av atomer. Kredit:Max Planck Institute of Quantum Optics
Framsteg på vägen mot effektivare kvantenheter
Med en diameter på cirka sju mikron, spegeln i sig är så liten att den är långt bortom visuell igenkänning. Apparaten i vilken enheten skapas, dock, är enorm. Helt i stil med andra kvantoptiska experiment, den räknar över tusen enstaka optiska komponenter och väger cirka två ton. Därför, det nya materialet skulle knappast påverka de handelsspeglar som människor använder dagligen. Det vetenskapliga inflytandet på andra sidan kan vara långtgående.
"Resultaten är mycket spännande för oss. Som i typiska utspädda bulk-ensembler, fotonmedierade korrelationer mellan atomer, som spelar en viktig roll i vårt system, försummas vanligtvis i traditionella kvantoptikteorier. Å andra sidan, ordnade arrayer av atomer gjorda genom att ladda ultrakalla atomer i optiska gitter utnyttjades huvudsakligen för att studera kvantsimuleringar av modeller av kondenserad materia. Men det visar sig nu vara en kraftfull plattform för att studera de nya kvantoptiska fenomenen också, " förklarar Jun Rui, Postdoc-forskare och första författare till uppsatsen.
Ytterligare forskning längs denna berättelse skulle kunna fördjupa den grundläggande förståelsen av kvantteorierna om interaktion mellan ljus och materia, många kroppsfysik med optiska fotoner, och möjliggör konstruktion av mer effektiva kvantenheter.
"Många nya spännande möjligheter har öppnats, såsom ett spännande tillvägagångssätt för att studera kvantoptomekanik, som är ett växande område för att studera ljusets kvanta natur med mekaniska anordningar. Eller, vårt arbete kan också bidra till att skapa bättre kvantminnen eller till och med bygga en kvantomkopplingsbar optisk spegel, " tillägger David Wei, Doktorand och andre författare. "Båda är intressanta framsteg för bearbetning av kvantinformation."
